四月十七日，宋听说李筠起兵，于是枢密使吴延祚向赵匡胤进谋：“潞州地势险要，贼军如果固守此城，我们很难在短时间内攻克之。但李筠一向自恃武勇而轻于用兵，如果我们尽快进击，他必离开上党，来与我军会战。他要是这样做，就等于兽亡其蔽，鱼脱于渊，离开了自我保护的屏障，正好被我军打败。”赵匡胤听从此计，又做了全盘考虑，进行了周密部署。
第一，十九日，派遣石守信、高怀德为前军，西向洛阳，自孟津北渡黄河。
第二，派三司使张美调拨粮草。张美向赵匡胤提出，怀州刺史马令琮早已估计到李筠会反宋，已经储备了大量粮草以供调用。赵匡胤一听大喜，当即提升怀州刺史马令琮为团练使，让他负责粮草的调动。
第三，五月初二，赵匡胤命宣徽南院使昝居润赴澶州（今河南濮阳）巡视，加固首都以北地区的防务。
第四，初二同日，派殿前都检点镇宁节度使慕容延、彰德军留后王全斌，从东路西向潞州，与石守信、高怀德部形成合围夹击之势。
第五，五月初三，以洛州团练使郭进为本州防御使兼西山巡检，与驻扎在邢州的检校太尉李继勋组成北路军，以防北汉军出动。又派永安节度使折德宸出兵攻击北汉，实施牵制作战。
当赵匡胤派遣石守信等人进军时，对他们嘱咐：“千万不要放李筠冲下太行山，你们务必赶紧占领扼住太行山的天井关，堵住这个山口，如此一来，必能打败李筠。”太祖这番部署，目的要让石守信等部自孟津渡过黄河之后，经怀州疾速进军，占据天井关之险，使李筠不能越过险关动摇怀州，因为怀州是宋军全部给养的补给基地。因此，石守信等人引军疾驰，于四月下旬，就占领了天井关。李筠并没有意识到这一点，所以本来是主动发起的攻击，自己却没有占到有利的地形。此时李筠已率兵来到泽州之南，并未进一步南下，这也表明了他的内心虚弱及北汉的援助不力。
在双方初步部署停当，李筠似乎仍然没有采取主动进攻的态势，反倒是石守信先下手为强，让高怀德稳固驻守天井关，亲自率军自小道迂回到李筠的背后，袭击泽州后方补给线。这一行动，有效地打击了李筠部队的士气。石守信又一鼓作气，在长平打败闻讯而来的李筠，斩首三千级，取得了首战的胜利。接着，宋军又攻下李筠据守的大会寨，与太祖所率宋军主力相会，展开了对李筠大本营潞州的总会战。
五月十九日，赵匡胤下诏书宣布亲自征伐李筠。但在出征之时，也不忘后方的安全，任命枢密使吴廷祚为东京留守，让开封知府吕余庆做吴廷祚的副手，还让弟弟赵光义任大内都点检，即皇宫的总管。又派韩令坤屯扎在河阳，即黄河重要渡口孟津北岸的要镇，北则策应石守信，南则护卫洛阳。赵匡胤从派前军到其亲征，时间刚好一个月，他之所以迟迟才下决心亲征，乃是担心扬州的李重进在背后捣乱。(www.xing528.com)
五月二十一日，赵匡胤从大梁出发，二十四日抵达荥阳。此时洛阳留守官向拱，劝赵匡胤渡河翻越太行，乘李筠气势未张之际，予以致命打击。如果拖延久了，可能使李筠的影响扩大，引更多节度使参加反宋联盟。赵匡胤的军师赵普也说：“李筠所以敢于公开抗拒天子，是因为他以为国家新建未能出征。现在我们既然出征了，就要出其不意，倍道兼行，击其不备，可一战而克。”赵匡胤听从了他们的建议，急命大军快速挺进。宋军主力进入太行山，可山路险狭，崎岖多石，十分难行，严重影响了进军速度。赵匡胤亲自下马，让坐骑负石开路。将领和大臣们都不敢再坐在马上，学着赵匡胤的样子，加入排石开路的行列。于是很快排除了道路上的石头，使大军得以顺利前进。
五月二十九日，大军与石守信会合，声势更大，一齐向李筠进攻，大败李筠三万之众于泽州之南，杀北汉援兵数千人。刘钧派到李筠部监军的卢赞也被乱军杀死，刘钧派来增援李筠的河阳节度使范守图也被俘虏。李筠率败军退还潞州，缩进城里，死命固守。宋军追至城下，赵匡胤亲自督军攻城。此时，赵匡胤所派另一支部队也已攻入北汉境内，并占领了几个据点，于是北汉刘钧在前方卢赞、范守图已败而后方堪忧的情况下，更不敢出动帮助李筠。
到六月初一，赵匡胤亲督大军攻城，泽州城虽小，却十分坚固，宋军一连十天无法攻克。而李筠的龙捷使王廷鲁、分州团练使王全德等人都率部投降赵匡胤，因此李筠所守的泽州更显孤危。六月十二日，李筠爱妾刘氏见城已危，便问城中健马还有多少，对李筠说：“孤城危蹙，破在旦夕。现在还可集中良马数百匹，与心腹舍命突围而出，只有保住潞州大本营，再向北汉求援，就还有一线生机，比起待在城里坐以待毙要好得多。”李筠认为此说有理，于是命人集中尚可冲击的健马千余匹，准备趁夜色昏暗突围。
此时又有人告诉李筠：“刚才大家都在商议，如果开门突围，只有死路一条。如果劫公而投降宋军，或许还有一条活路。”李筠听了，又对突围信心不足，更怕部下劫持自己降宋，左右为难，不知如何是好，惶惑之中错过了最后一次机会，等到第二天清晨，宋军已经攻进城内。
在宋军攻破泽州城之前，赵匡胤召指挥使马全义询问攻城之计。马全义道：“李筠死守孤城，如果并力急攻，他便立即殄灭。但若犹豫延缓，只能促使李筠产生奸计，到时候是什么结果，就很难说了。”
赵匡胤听此一番分析，急忙上阵，亲率大军猛攻。马全义也自告奋勇，率领数十敢死之士，乘城攀堞先登，虽有飞箭贯通他的肩臂亦不停顿，一把拔下箭头，继续厮杀，其他宋军士兵见此情形，士气更壮，于是一举攻克泽州，而李筠则自焚而死。
宋军进入泽州，赵匡胤严令禁止军士剽掠，释放牢房的囚犯，减免泽州百姓一年的租税，以收人心。六月十七日，赵匡胤乘胜攻击潞州，李筠之子李守节举城投降，赵匡胤赦免其罪，并任命他为单州团练使，又免除潞州地区一年的租税，这都是赵匡胤一贯的收买人心的手法。刘钧听说李筠全军覆没之后，也从太平驿逃回太原，对手下赵华说：“李筠轻率起兵，我早就料到他会失败，我们还能全师而还，真是幸运，只可惜我派到李筠处的几位将军，白白作了陪葬。”从中可看出刘钧从一开始就没有诚意帮助李筠，如此同床异梦，又怎是赵匡胤的对手？
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